Abordagens de Escalonamento na Perspectiva da Engenharia

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1 Mercado para tempo real é amplo Necessidade de Diferentes Abordagens Sistemas de Tempo Real: Abordagens de Escalonamento na Perspectiva da Engenharia Rômulo Silva de Oliveira Departamento de Automação e Sistemas DAS UFSC romulo.deoliveira@ufsc.br Setembro/ Sistemas de tempo real variam enormemente Sistema de emergência em usina petroquímica Controle de temperatura do freezer Videogame Principais variações: Crítico ou não crítico Carga estática ou dinâmica Importância associada com cumprimento dos deadlines Diferentes abordagens são necessárias 2 Abordagens: Perspectiva Teórica na perspectiva acadêmica (matemática de escalonamento) Sistemas com garantia Sistemas com melhor esforço Abordagem com Garantia 1/5 Deadlines são garantidos na construção do software Previsibilidade determinista Análise feita antes da execução Carga precisa ser limitada e conhecida em projeto ( Hipótese de Carga ) É Suposto um limite para faltas ( Hipótese de Faltas ) Para dar garantia precisa considerar o pior caso: Do comportamento do software (fluxos de execução) Do comportamento do hardware (tempos das instruções) 3 4 Abordagem com Garantia 2/5 Necessário conhecer o comportamento do programa no pior caso Abordagem com Garantia 3/5 Necessário conhecer o comportamento do hardware no pior caso Isto significa Pior fluxo de controle para cada tarefa (if, while) Piores dados de entrada Pior cenário de sincronização entre tarefas (exclusão mútua, etc) Pior combinação de eventos externos (interrupções, sensores, etc) Pior tudo Isto geralmente significa Pior combinação de eventos externos (interrupções, sensores, etc) Determinar os estados da memória cache Determinar os estados do pipeline Determinar o comportamento dos barramentos Determinar o comportamento temporal seguro do hardware em relação ao pior caminho do software Compor os estados em uma análise de pior caso Sempre de forma segura (pessimista) As vezes o pior caso local não leva ao pior caso global 5 6

2 Análise dividida em duas etapas Abordagem com Garantia 4/5 Tempo de Computação C Quanto tempo esta tarefa de software levaria para executar se estivesse sozinha no computador (única tarefa, nenhuma interrupção)? Para garantia é necessário o WCET (Worst-Case Execution Time) Tempo de Resposta R Quanto tempo esta tarefa de software leva para executar, considerando ela própria e todas as demais atividades do sistema? Para garantia é necessário o WCET de todas as tarefas do sistema, de suas taxas de recorrência, e como são suas interações Abordagem com Garantia 5/5 Vantagens Determina previamente que todos os deadlines serão cumpridos Necessário para aplicações críticas Teoria serve de base para abordagens sem garantia Desvantagens Necessário conhecer exatamente a carga Necessário reservar recursos para o pior caso Gera enorme sub-utilização do hardware (mais caro) Difícil determinar o pior caso em soluções COTS (commercial off-the-shelf) 7 8 Necessidade de Diferentes Abordagens na perspectiva acadêmica (matemática de escalonamento) Sistemas com garantia Sistemas com melhor esforço Abordagem com 1/2 Não existe garantia de que todos os deadlines serão cumpridos O será feito neste sentido Capaz de fornecer um previsão probabilista Simulação, testes, etc Existe a possibilidade de Sobrecarga ( overload ) Sobrecarga: Não é possível cumprir todos os deadlines Não é uma falha do projeto É uma situação natural uma vez que não existe garantia antecipada 9 10 Abordagem com 2/2 Questão fundamental: Como tratar a sobrecarga? Em sobrecarga ATRASA algumas tarefas Em sobrecarga DIMINUI a precisão de algumas tarefas Em sobrecarga NÃO EXECUTA algumas tarefas Em sobrecarga AUMENTA O PERÍODO de algumas tarefas Vantagens desta abordagem Não é necessário conhecer o pior caso Sistemas mais baratos, não são projetados para o pior caso Não é necessário conhecer a carga exatamente Desvantagens A princípio qualquer deadline poderá ser perdido Abordagens: Perspectiva da Engenharia 1/3 EM TEORIA Na prática a coisa é um pouco mais complicada Entram aspectos econômicos Entram aspectos do desenvolvimento como um todo e não só tempo real 11 12

3 Abordagens: Perspectiva da Engenharia 2/3 EM TEORIA Na prática a coisa é um pouco mais complicada Entram aspectos econômicos Entram aspectos do desenvolvimento como um todo e não só tempo real Abordagens: Perspectiva da Engenharia 3/3 Existem três grandes abordagens para a questão de tempo real NA PERSPECTIVA DA ENGENHARIA Com garantia provada Hard real-time systems Safety-critical systems Com garantia testada Quasi-hard real-time systems Safety-critical systems, Mission-critical systems 13 Melhor esforço: sem garantia mas com boas perspectivas Soft real-time systems Porém busca mais que mero desempenho 14 Sistema de tempo real crítico verificado formalmente 1/4 Safety-critical applications Não tolera nenhuma perda de deadline A perda de um deadline representa uma falha do sistema Requer algum tratamento de exceção forte Tolerância a faltas via replicação ativa Tolerância a faltas via propriedade construtiva (eletro-mecânica) Reinicia Desliga Necessita verificação formal (que jamais perde um deadline) Certificação de agência fiscalizadora Sistema de tempo real crítico verificado formalmente 2/4 Safety-critical applications Não tolera nenhuma perda de deadline Tarefas críticas em satélites Tarefas críticas em aviões Tarefas críticas em carros Sistemas críticos em aviões é o grande motivador da área Começa a ser importante para carros Necessita verificação formal (que jamais perde um deadline) Às vezes certificação Sistema de tempo real crítico verificado formalmente 3/4 Análise de escalonabilidade com garantia Ferramenta para determinar WCET Necessita arquitetura determinista, analisável Microcontrolador de pequeno ou médio porte Software simples, microkernel ou tudo na aplicação Junta tudo, verifica o conjunto Certificação é o maior custo (30x mais caro que software comum) Tudo isto: Restringe o espectro de processadores possíveis Desenvolvimento é caro (ferramentas, design, verificação) Justificável apenas para safety-critical systems com processo de certificação ou quando uma falha pode quebrar a empresa (freio do carro) Sistema de tempo real crítico verificado formalmente 4/4 Muito difícil usar multicore A não ser como um conjunto de monoprocessadores que estão por acaso no mesmo chip Mesmo assim uma cache comum complica a análise Muito difícil usar processadores complexos Não consegue analisar Novas tecnologias que poderão vir no futuro Análise probabilista da escalonabilidade Processadores projetados especialmente para serem analisados 17 18

4 Sistema de tempo real crítico verificado por teste 1/4 Não tolera nenhuma perda de deadline A perda de um deadline representa uma falha do sistema Requer algum tratamento de exceção forte Desliga Reinicia Alguma tolerância a faltas passiva na construção do sistema Verificação por teste (que jamais perde um deadline) Sistema de tempo real crítico verificado por teste 2/4 Não tolera nenhuma perda de deadline A perda de um deadline representa uma falha do sistema Mas não é geralmente safety-critical as vezes até é!!! Sistemas de geração/transmissão de energia elétrica Relés de proteção, reguladores de tensão e frequência, etc. Inversores elétricos Muitas tarefas automotivas Equipamentos médicos Safety-critical systems, mas são lentos, é fácil cumprir deadlines Verificação por teste (que jamais perde um deadline) Sistema de tempo real crítico verificado por teste 3/4 Sistema de tempo real crítico verificado por teste 4/4 Necessita arquitetura quase determinista Código simples, quase determinista Não utiliza algoritmos recursivos, por exemplo WCET obtido através de medições Não tem certificação Ênfase em testes de stress Busca as condições nas quais deadlines poderiam ser perdidos Microkernel determinista ou tudo na aplicação Folgas grandes para as tarefas críticas Teoria de escalonamento hard real-time pode ser usada com valores aproximados como ferramenta auxiliar do desenvolvedor 21 Existe um trade-off no projeto Quanto mais safety-critical for a tarefa: Mais determinista é o código Mais simples é o processador (pode ter mais de um) Maiores são as folgas Mais rigorosos são os testes Prioridade por importância e não por período, deadline, etc: Tarefas críticas recebem prioridade fixa mais alta O tempo que sobra é para as demais tarefas Folga delas corresponde a todo o resto do tempo do processador que elas próprias não usam Melhor a tela travar um pouco do que o motor explodir 22 Sistema de tempo real quase garantido 1/3 Sistema de tempo real quase garantido 2/3 O que é um sistema de tempo real quase garantido (soft)? A perda de um deadline não representa a falha do sistema A perda de um deadline isolado não requer tratamento de exceção Não gera a falha do sistema Tolera a perda de deadlines se estas forem suficientemente raras O que é raro? Depende da especificação do sistema: Tarefa não pode perder x deadlines seguidos Tarefa não pode perder mais que x deadlines em y ativações Tarefa não pode perder mais que x deadlines em y segundos Etc, a lista é grande Controle realimentado em aplicações industriais não críticas A inércia da planta mascara a perda de um deadline (existem limites) Muitos exemplos no mundo industrial e doméstico Controle de um forno industrial Liga/desliga de chaves em fábrica (manufatura) Linha branca Controlador semafórico Centrais telefônicas Verificação por teste (frequência de perda de deadlines) 23 24

5 Sistema de tempo real quase garantido 3/3 Teoria de Escalonamento Tempo Real 1/4 Arquitetura qualquer, depende dos requisitos da aplicação Existe uma vasta teoria de escalonamento tempo real hard Desde de pequeno microcontrolador até PC multicore Testes principalmente em condições normais Em geral usa microkernel, mas pode ser usado desde nada até Linux, de tempo real ou não Depende das funcionalidades da aplicação Design e testes dependem de quanto deadline pode perder sem isto ser percebido como uma falha 25 Milhares de artigos Quase toda a teoria (matemática) de escalonamento tempo real visa sistemas de tempo real hard Garantia para os deadlines provada formalmente A demanda de prova formal limita o espaço de projeto do software Apenas técnicas com pior caso razoável - Não pode usar tabela hash A demanda de prova formal limita o espaço de projeto do hardware Tools para análise de wcet suportam poucos processadores Caches, barramentos são problemas A demanda de prova formal aumenta custos de desenvolvimento Subutilização do hardware, ferramentas mais caras, mais atividades 26 Teoria de Escalonamento Tempo Real 2/4 Teoria de Escalonamento Tempo Real 3/4 Os custos e as limitações da prova formal a tornam aceitável somente em sistemas safety-critical Principalmente se houver certificação Mercado restrito: Aviões Satélites Carros de luxo, futuristas (tende a crescer) No outro extremo... Métodos tradicionais de engenharia de software conseguem lidar com sistemas de tempo real soft, desde que: Aplicação da teoria depende da evolução dos processadores Processadores com tempo de execução determinista - Comercialmente improvável Processadores com tempo de execução aleatório - Comercialmente improvável Acompanhados com testes de stress Projetados levando em consideração os aspectos temporais Impedimentos ao atendimento dos deadlines devem ser removidos do projeto Por exemplo, grandes contenções causadas por mecanimos de sincronização Algoritmos de escalonamento não apropriados Teoria de Escalonamento Tempo Real 4/4 Principais Desafios 1/5 Sistemas de tempo real com garantia testada demandam cuidados especiais Quais são os principais desafios da pesquisa considerando cada uma das 3 abordagens? Design do software e do hardware precisa levar em consideração a necessidade de determinismo Testes de stress são absolutamente necessários para a confiabilidade do produto Resultados teóricos válidos para sistemas críticos podem ser usados como heurísticas no projeto de sistemas firmes Hard Real-Time Systems (garantido por prova) Quasi-Hard Real-Time Systems (garantido por teste) Soft Real-Time Systems (não garantido, mas bem testado) Não existe garantia formal para os deadlines Mecanismos para o tratamento de exceções temporais devem ser embutidos na aplicação Tais como reiniciar ou levar para um estado seguro 29 30

6 Principais Desafios do Hard Real-Time 2/5 Estender as ferramentas de wcet para arquiteturas mais sofisticadas do que as suportadas atualmente Flexibilizar os modelos de tarefas usados em análises de escalonabilidade para permitir a modelagem de sistemas reais Overheads, tarefas auxiliares, interações inesperadas Avançar a teoria no contexto de multiprocessadores Considerando todas as suas peculiaridades Principais Desafios do Quasi-Hard Real-Time 3/5 Estabelecer metodologias de teste de stress para aplicações de tempo real onde Não existe garantia formal de que nenhum deadline será perdido Existe a necessidade da crença de que nenhum deadline será perdido Combinar medições de partes do código com análise de escalonabilidade Para que o desenvolvedor possa identificar situações raras, não observadas facilmente em testes, mas que levarão a perda de um deadline Criar ferramentas que permitam ao desenvolvedor da aplicação identificar as fontes de atraso no sistema (aplicação e kernel) Melhorar SOs para que os mesmos possam ser usados neste tipo de aplicação Até mesmo Linux preempt-rt com deadlines fáceis Principais Desafios do Soft Real-Time 4/5 Determinar formas para especificar requisitos temporais que impõem limites às perdas de deadlines De acordo com a semântica da aplicação Criar métodos para desenvolver os respectivos casos de teste a serem usadas na verificação da implementação Criar ferramentas que permitam ao desenvolvedor da aplicação identificar as fontes de atraso no sistema Tais fontes podem estar na aplicação e/ou no kernel Melhorar os kernels de SO para que os mesmos não comprometam o comportamento temporal da aplicação Linux preempt-rt com deadlines não tão fáceis Resumo Existe a necessidade de diferentes abordagens para o escalonamento tempo real Principal classificação é com respeito a garantia dos deadlines Hard Real-Time Systems Verificação formal de que todos os deadlines são cumpridos Mais caro, impõe severas restrições ao hardware/software Quasi-Hard Real-Time Systems Verificação por teste de que todos os deadlines são cumpridos Design cuidadoso, impõe restrições ao SO Soft Real-Time Systems Verificação por teste de que poucos deadlines são perdidos Desenvolvimento quase convencional, alguns cuidados a mais 33 34